毕业设计（论文）-轿车转向系统设计.doc

中北大学2017届毕业设计说明书毕业设计说明书轿车转向系统设计学生姓名： 学号： 学 院： 机械与动力工程学院 专 业： 车辆工程 指导教师： 2017 年 6 月轿车转向系统设计摘 要 汽车转向系统可以为驾驶员在任何路况、任何速度下实现驾驶员所需的转向目的，并加强了汽车在各种行驶状况下的安全性，改善了驾驶员的工作条件。这是汽车安全行驶的重要部件。 本设计主要是参考已有的转向系统，根据转向系统的工作原理、设计方法和已知的有关性能参数，设计齿轮齿条液压转向系统。本设计的主要内容包括：汽车转向系统的概述，转向系统的主要性能参数的确定，齿轮齿条转向器的设计以及相关部件的校核，以及转向系统的其它部件的设计，最后运用三维软件进行三维模型的绘制。关键词：汽车转向系统，齿轮齿条，转向器，液压助力全套图纸加扣 3012250582Design of Car Steering SystemABSTRACT The car steering system allows the driver to achieve the steering purpose required by the driver at any speed and at any speed, and enhances the safety of the vehicle in a variety of driving conditions and improves the drivers working conditions. This is an important part of the car driving safely. The design is mainly based on the existing steering system, according to the working principle of the steering system, design methods and known performance parameters, the design of rack and pinion hydraulic steering system. The main contents of this design include: the overview of the automobile steering system, the determination of the main performance parameters of the steering system, the design of the rack and pinion steering gear and the verification of the relevant parts, as well as the design of the other components of the steering system, and finally using the three-dimensional software Drawing of three - dimensional model.Keywords:Car steering system，The gear and rack，The steering gear，Hydraulic power目 录1 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内转向系统的研究现状21.3 国外转向系统的研究现状21.4 常见的转向器类型21.5 本章小结42 转向系统的主要性能参数的确定52.1 转向盘回转总圈数52.2 转向系的效率52.3 转向系的传动比62.3.1 力传动比与转向系角传动比的关系72.3.2 转向系角传动比72.3.3 转向器角传动比及其变化规律82.3.4 转向器传动副的传动间隙92.4 本章小结103 机械式转向器方案确定及设计计算113.1 转向器的选择113.2 齿轮齿条转向器的设计113.2.1、输入输出形式选择113.2.2 齿轮、齿条形式选择123.3 齿轮齿条转向器的布置方式及其选择123.4 转向轮偏转角计算133.5 齿轮齿条参数选取和计算143.6 转向器材料及其他零件选择173.6.1 齿轮齿条材料选择173.6.2 轴承的选择173.6.3 转向器的润滑方式和密封类型的选择17第 1 页 共 45 页3.7 本章小结184 齿轮齿条强度计算及校核194.1 齿条受力分析及强度计算194.1.1 齿条的受力分析194.1.2 齿条齿部的强度计算204.2 小齿轮的强度计算214.2.1 齿面接触疲劳强度计算214.2.2 齿轮齿根弯曲疲劳强度计算244.3 齿轮轴的强度校核254.3.1 轴的受力分析254.3.2 计算支承反力264.3.3 轴的弯扭合成强度的校核274.3.4 轴疲劳强度安全系数校核274.4 本章小结285 其他部件的设计295.1 防伤安全机构的设计295.2 转向盘305.3 球头销305.4 转向梯形机构设计325.4.1 整体式转向梯形机构分析335.4.2 整体式转向梯形机构模型分析345.5 本章小结37 结束语38参考文献39致谢40第 1 页 共 45 页1 绪论1.1 课题研究的目的和意义 从汽车诞生并发展到现在，汽车俨然已成为我们生活工作中不可或缺的一部分了。一辆完整的汽车，其中必然包括转向系统，它是组成汽车至关重要的部分。汽车转向系统是我们日常行车安全中可以控制的部分，如何设计能让汽车有良好的转向特性，有良好的操纵性能，是我们做好汽车的重要研究课题。 车辆的转向是汽车在行驶过程中，根据驾驶员的意图和需求改变汽车的行驶方向。对于轮式汽车来说，当遇到需要转向的路段，驾驶员需要通过转向操纵机构，驱使转向轮与汽车的纵轴线形成一定的夹角，以达到转向的目的。在汽车工作过程中，直线行驶时，车轮往往因为侧向力和方向的干涉，自动跑偏。在这种情况下，如果你想要一辆汽车，不改变驾驶员原来的驾驶方向，方向盘向相反方向偏转方向盘偏转。这一套转向机构就是汽车转向系统。图1-1转向系统汽车在运行过程中，因为汽车转向系统的工作条件变化不定，转速和负荷也随着工作条件变幻不定，长时间的弯曲、扭转剪切以及道路的路况不同而引起的冲击载荷同时受到各种因素的影响，转向系统的组成成分，因此产生不同程度的弯曲变形，断裂变形和裂纹效应的损失，从而使汽车的操纵性、经济型和安全下降。在现在的道路上，车辆的限速不一，驾驶人员五花八门，道路拥挤等情况都限制着车辆的行驶路线，这时候，就体现出汽车的易操纵性的重要性了。汽车转向系统的发展历程亦如一株幼苗般，一天一天的茁壮，它经历了纯机械式、液压助力式、电控液压助力式、电动助力式以及线控式，它的每一次成长，都让汽车的操纵性、安全性更强大、更成熟，驾驶员能够更安心的驾驶汽车。通过课题研究，不仅加深了我们对研究课题的理解，还能让我们从学习阶段到工作阶段的平稳过渡，培养我们综合运用所学知识处理实际问题的能力，提高我们文字表达能力和文献撰写能力和帮助我们科学思维体系的建立、工程素养的提升。1.2 国内转向系统的研究现状我国的汽车零部件行业伴随着汽车行业一起发展起来，转向行业也随着汽车的发展在时刻接受检验，从20世纪50年代到现在，转向行业快速发展。最初的转向器，球面蜗杆式、指销式转向器是非常简陋的、安全性低机械机构；随着人们的思维开阔，在20世纪70年代初，发明了循环球式，在后期，又发明了齿轮齿条式，科技是一天天进步的，到了90年代，液压转向也出现在人们面前。我国的汽车技术也在紧随着国际的发展步伐，一直努力在壮大我国的汽车行业。至此，国内液压助力转向器已占一半市场份额，在已掌握液压助力转向技术的情况下，下一步研究的方向，将转移到汽车的EPS上，其次是同步发展的国内外形势。1.3 国外转向系统的研究现状国外的汽车行业比我国发展得早，在这方面的技术也领先于我国。EPS是继液压助力转向系统后产生一种动力转向系统。经过二十几年的发展，EPS技术日趋完善，它已经逐步从微型轿车运用到大型轿车、商用客车，并将往更大的方向拓展。2002年9月在巴黎车展上，美国通用汽车公司首次向全球展出了其电子转向操控燃料电池概念车Hy-Wire,即标示该概念车为氢燃料驱动和线传操控，该车没有操作踏板，仅有一个称为“X-Drive的电控操作面板。其操控彻底摒弃了转向、加速和制动等机械操控方式，完全采用电子控制方式，使汽车无论在内部空间的设计、总布置设计还是车身设计上均发生了历史性的变化，它也预示着电子转向技术的发展蕴涵着巨大潜力。1.4 常见的转向器类型齿轮齿条转向器是一种结构相对简单的转向器，它由两部分组成，齿轮和齿条。它工作时齿轮和齿条相互啮合，当转向轴驱使小齿轮转动时，齿条作直线运动，不实现转弯；当转向横拉杆被齿条带动时，驱使车轮偏转，从而实现转弯的目的。它的优点就是结构简单，制造容易，低成本，转向反应迅速，占空间小，直接与横拉杆相连接。在汽车上得到广泛应用。+图1-2齿轮齿条转向器蜗杆曲柄销式转向器的主动件为蜗杆，从动件为曲柄销。蜗杆一部分被加工成梯形螺纹，曲柄上安装着轴承支承的锥形指销，并且曲柄与转向摇臂被加工成一个整体。它在工作的时候，是由转向盘把转向力矩传到蜗杆，由蜗杆的梯形螺纹运动带动锥形销运动，锥形销的运动包含自转和绕转向摇臂的圆弧运动，圆弧运动驱使曲柄和转向垂臂运动，把力矩传递到转向传动机构，实现转向轮的偏转，最终达到转弯的目的。这种转向器因为能承受较大的转向力，因此常运用于载货汽车上。图1-3蜗杆曲柄销式转向器 循环球式转向器是将从转向盘传来的转速通过齿轮机构进行减速，并且通过转向盘的转动带动涡轮蜗杆转动，蜗杆的螺纹与螺母相啮合，并在啮合槽中填充钢球，蜗杆的转动驱使钢球在槽内流动，进而带动螺母直线运动，螺母有外齿槽，并于扇形齿轮相啮合，便可使直线运动变为圆弧运动，圆弧运动使转向摇臂摆动，转向摇臂与横拉杆相连接，横拉杆的运动，实现转向轮的左右转向。这是一个经典的车身结构，现代汽车已经大都不再使用，而是以最新的方式来帮助应用动力转向。 其原理相当于使用螺母和螺栓在相对运动中的旋转，并且在螺纹和螺纹之间的球进入球以减小阻力，所有的球在闭合的闭合螺旋曲线滚动，循环球式便是因此命名。图1-4循环球式转向器相对于齿轮齿条式转向器的齿轮齿条液压助力转向，主要是增加了转向泵，转向，转向，转向阀、转向油缸等组成，为了提高驾驶员的转向感觉，增加动力助力转向装置。中国经过十多年的发展，已形成了成熟的研发和制造技术厂商有豫北光洋转向器有限公司等企业。 1.5 本章小结本章主要是了解转向系的一些历史发展，以及国内外的转向系统的研究现状，加深我们对转向系的了解，为后面的设计提供方向。2 转向系统的主要性能参数的确定表2-1转向系统设计基本参数参数名称具体参数值 前后轮距 1590mm/1585mm轮胎型号 215/60 R16轴距 2800主销偏移距 100mm整车装备质量 1450转向轴的扭矩 300Nm 前后满载周和分配 950/850（kg）最高时速 200 /h 轮胎压力 0.24Mpa最大转向角 左右45 转向盘直径 3802.1 转向盘回转总圈数 转向盘打转的圈数是有限制的，它即受到转向系的角传动比的约束，又受到最大转向角的约束。对于大多数乘用车而言，当转向轮偏转到左方或右方最大值时，又把转向轮转到另一方的最大值，转向盘转动圈数不得超过4圈，而货车则限制在6圈以内。2.2 转向系的效率 转向系的效率由转向器的效率和传动机构的效率决定，即 式（2.1） 转向器的效率有正效率和逆效率两种。 正效率 式（2.2）逆效率 式（2.3）式中：作用在转向盘上的功率； 转向器中的摩擦功率； 转向摇臂轴的功率大小。关于蜗杆类和螺杆类转向器，假如只针对啮合副的摩擦损失，忽略轴承和其他部件的摩擦损失，其效率可以用下面的公式计算： 式（2.4） 式（2.5）式中：蜗杆或螺杆的导程角，10；摩擦角，；摩擦系数，取=0.04（查得淬火钢对淬火钢的摩擦副摩擦系数=0.030.05，选取=0.04）；则： 式（2.6） 式（2.7）2.3 转向系的传动比转向系的传动比由转向系的角传动比和转向系的力传动比两部分组成。转向系的力传动比是地面作用在转向轮的合力和驾驶员作用在转向盘上的力之比 。转向系的角传动比为转向盘转过的角度与位于驾驶室旁的转向轮转过的角度之比。.它包含转向器的角传动比、转向传动装置的角传动比两部分。2.3.1 力传动比与转向系角传动比的关系 轮胎与地面之间的转向阻力和作用在转向节上的转向阻力矩之间有如下关系 式（2.8）式中：为主销偏移距，指从关节销的主销轴的延伸线到支撑平面到车轮中心与支撑平面交点的距离。作用在转向盘上的手力可用下式表示 式（2.9）式中，为作用在转向盘上的力矩；为转向盘直径。将式（2.8）、（2.9）代入后得到 式（2.10）分析式(2-8)可知，当主销偏移距a小时，力传动比 应取大些才能保证转向轻便。大多数乘用车的a值是转向轮轮胎宽面尺寸的0406倍，而货车的a值则被限制在4060mm内。 如若不计摩擦损耗，有能量守恒定律可得，可用下式表示 式（2.11）将式（2.11）代入（2.10）后得到 式（2.12）当 和 不变时，随着力传动比 增大，驾驶员的转向作用力越小，但 也会导致 也越大，使得转向灵敏度降低。2.3.2 转向系角传动比 转向传动机构角传动比，除用表示以外，还可以近似地用转向节臂臂长L2与摇臂臂长Ll之比来表示，即 iL2Ll 。现代汽车结构中，L2与L1的比值大约在08511之间，可近似认为其比值为 。由此可见，研究转向系的传动比特性，只需研究转向器的角传动比 及其变化规律即可。2.3.3 转向器角传动比及其变化规律 式(2.10)表明：增大角传动比可以增加力传动比。从 式可知，当一定时，增大能减小作用在转向盘上的手力，使操纵轻便。考虑到 ，由 的定义可知：对于一定的方向盘角速度，方向盘偏转角速度度与转向角比成反比。 当角度比增加时，方向盘偏转角对方向盘的角速度的响应变慢，转向操作时间增加，车辆的转向灵敏度降低。因此，“轻”和“灵”是矛盾的。要解决这个矛盾，你可以使用变速比转向器。变速比转向器可以由齿轮齿条转向器、循环球式转向器、蜗杆指销式转向器制造而成，下面就齿轮齿条转向器变速比工作情况进行分析。根据相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等， 即 。其中齿轮基圆齿距，齿条基圆齿距 。由上述两式可知：当齿轮具有标准模数和标准压力角与一个具有变模数、变压力角的齿条相啮合，并始终保持时，它们就可以啮合运转。如果齿条中间的压力角（相当于直线行进位置）最大，两端逐渐减小（模数减小），则驱动齿轮的啮合半径也减小，导致相同 转向方向盘，机架行程也减少。 因此，转向装置的转向比是可变的。 图2-1是根据上述原理的齿条和小齿轮的齿条压角的变化的示例。 从图中可以看出，齿条中间的齿具有较大的压力角，齿轮具有较大的节圆半径，齿具有较宽的齿根和较浅的齿; 牙齿较细，牙齿较陡。图2-1 齿条齿压力角变化简图 a) 齿条中部齿 b）齿条两端齿 转向器的角传动比随方向盘的变化而变化，所以可以把叫传动比设计为保持不变、增大或减小。并且车辆的转向轴的负载大小以及车辆的操纵性能要求是角传动比规律变化的主要影响因素。如果转向轴的负载小，在方向盘的全角范围内，司机在转向时不会感到有沉重感。在上述两种情况下，应该采用较小的转向角比，并且可以减小方向盘的总转数，以改善车辆的操纵能力。 转向轴负载大且无动力转向的车辆，因为转向阻力矩与尺寸“车轮偏转角变化”大致成比例，当汽车在低速转弯时驾驶员的操纵性能问题突出，我们应选择更大的转向器角传动比。当汽车在高速转弯时，方向盘角度小，转向阻力矩小，方向盘响应灵敏，转向器角传动比应更小。由此可知，在选择变速比转向器时，应当选择转向角传动比变化曲线呈两端大中间小的转向器，如下图2-2所示。图2-2 转向器角传动比变化特性曲线2.3.4 转向器传动副的传动间隙 每种转向器的传动副之间都存在间隙，这就是我们所说的传动间隙。转向盘的转角变化会引起该间隙的大小变化，这一变化被称为转向器传动副间隙特性，如图2-3所示。这有助于我们研究直线行驶的稳定性和转向器的寿命。 如果转向器的传动副中有传动间隙，一旦方向盘受到横向力的影响，车轮就会偏离原来的行驶位置，使汽车失去稳定性。为了预防这种情况，当转向盘处于中间或者在中间附近时，传动间隙应最小，优选没有间隙。在道路上行驶，倒数情况是微调方向盘，因此会频繁使用转动副的中间以及其附近位置，这位置磨损比两端更快。在中间附近由于磨损造成的间隙太大，必须调整以消除间隙。经调整后，方向盘可以顺利左右转向，无卡顿现象。 图2-3 转向器传动副传动间隙特性由上图可知，图中弧线1为转向器为磨损的间隙特性；弧线2为磨损以后的间隙特性，从图中可以看出中间部位磨损最大；弧线3为间隙被消除后间隙特性。2.4 本章小结本章主要是根据原始数据，计算确定转向系的主要性能参数，其内容主要包括转向盘的总圈数、转向系的传动比、转向器的角传动比变化规律以及传动副传动间隙等。3 机械式转向器方案确定及设计计算3.1 转向器的选择 转向器，从名字上就可以看出，它是转向系统中最关键、做重要的部分。效果是增加方向盘的转矩，以克服转向轮与地面之间的阻力矩; 以减小转向轴的旋转速度，使摇臂轴移动目标位置; 方向盘和转向轮运动协调。 转向结构的选择主要是基于车辆的类型，前桥负载，使用条件来确定，并考虑其效率特性，角传动比的变化等使用条件下的转向和转向的适应性等其他性能，制作过程。 中小型车和前桥负载小于1.2t的乘用车，卡车，更多使用齿条齿轮转向齿轮。齿轮齿条转向齿轮易于安装，机构简单，适用于汽车。因此选择齿轮齿条转向器的设计。3.2 齿轮齿条转向器的设计3.2.1、输入输出形式选择 齿条加工时，由于齿的位置不同，则输入齿轮也有不同的布置方式，如中间输入、侧面输入；从中间输入，则从两端输出，如图3-1a所示；从侧面输入，则可选择从两端输出、中间输出或一段输出，分别为图3-1中的b、c、d所示。图3.1 齿轮齿条转向器的四种形式通过侧输入，中间输出方案是在车辆的纵向对称平面附近延伸左右极。随着杆长度的增加，当摆轮角度减小时，有利于减小车轮，转向系统和悬架后的下一个跳跃的干扰。 杆与齿条固定螺栓连接，使得两个杆在与齿条同时向左或向右移动，从而在转向器壳体上提供轴向长槽，从而降低其强度。侧面输入，两端输出的方案易受转向拉杆长度影响，运动时与悬架系统引导机构易产生干涉，但这种方案与其他相比，结构更简单、更省材料、转向精度也比中输出的高，因此在汽车上得到广泛应用。 平头货车则一般采用侧面输入，一端输出的形式。3.2.2 齿轮、齿条形式选择 若齿轮、齿条的齿形都是直齿，直齿齿轮齿条转向器在工作时会使啮合的平稳性降低，齿轮齿条之间冲击大，产生很大的噪声。而且，直齿啮合的齿轮齿条的轴线夹角为直角，会给转向系统的总体布置带来许多不方便 ，所以这种啮合方式遭到了淘汰。随着螺旋齿轮和螺旋齿条啮合的转向器，重合度增加，运行平稳，冲击和工作噪音降低，齿轮轴与齿条轴之间的角度容易满足整体设计要求。 由于螺旋齿作用于轴向力，因此转向器应采用角接触球轴承，但会出现轴承寿命缩短，以及斜齿轮磨削相对较大的缺点。本设计所选择的是斜齿轮啮合方式。 机架的截面形状为圆形，V形和Y形。圆截面机架的生产工艺比较简单。 V形和Y形横截面与圆形截面相比，消耗较少的材料，节省约20，所以质量很小;位于齿轮下方的两个斜坡和齿条架上的接触，可用于防止齿条绕轴旋转;可以使Y形齿条的齿宽变宽，强度提高。在齿条和支架之间通常配有耐磨材料（如聚四氟乙烯）来做垫圈以减少滑动摩擦。当车轮敲击，转弯或转向器工作时，如机架的作用可用于旋转机架扭矩，应使用V形和Y形齿条，用于防止齿轮旋转并损坏齿轮牙齿牙齿不能正常啮合的情况。本设计所选择的形式为圆形端面齿条。3.3 齿轮齿条转向器的布置方式及其选择 转向器和转向梯形的布置是有联系的，用转向轴作为基准，按转向器、转向梯形的前后位置不同，可分为四种情况： 1、后置转向器，后置梯形（图3-3a）； 2、后置转向器，前置梯形（图3-3b）； 3、前置转向器，后置梯形（图3-3c）；3、 前置转向器，前置梯形（图3-3d）。图3-2 齿轮齿条转向器的四种布置形式就目前汽车行业而言，大多数轿车采用第一种（图3-2a）布置方式：后置转向器，后置梯形。本设计也采用这种布置方式。3.4 转向轮偏转角计算转向系统的性能从车辆可操作性开始，最大转角处的最小转弯半径为轴距的2-2.5倍。本设计的轴距为2800mm，因此本设计的车型转弯半径应在5.6-7.0m之间选择，并尝试采取一个小的价值，以确保良好的机动性。最小转弯半径取6.3m。 式（3.1）式中：a为主销偏移距，大多数乘用车的a值是转向轮轮胎宽面尺寸的0406倍，而货车的a值则被限制在4060mm内，且由表2-1得，主销偏距为100mm ,为转向内轮转角。图3.3转向角由图3.3可计算出转向轮外轮的最大转角。 式（3.2）由公式（3.1）、（3.2）计算可得，=26.8，34.8。 3.5 齿轮齿条参数选取和计算目前在汽车上使用的齿轮齿条转向器大部分为斜齿齿轮齿条转向器，查阅汽车设计课程设计指导书可知，齿轮模数范围在23mm，活动齿轮齿数在57齿范围内，压力角，齿轮螺旋角范围在9 15。应根据当方向盘达到最大偏转角时应达到相应齿条移动行程的值确定齿条齿数。 变速比的齿轮压力角，现有结构在1235范围内。 另外，设计应检查齿轮的抗弯强度和接触强度。为了让齿轮齿条的齿啮合达到最佳，则齿轮齿条的齿要求：。为了设计出合理的齿轮齿条，则相应参数如表3-1所示：表3-1齿轮齿条主要参数名称齿轮齿条齿数Z731模数Mn2.52.5压力角2020螺旋角变位系数0.650 汽车在转向时，由于地面摩擦、机构摩擦等产生阻力，所以需要克服转向轮绕主销转动的阻力、转向轮稳定阻力、轮胎变形阻力以及转向系中的内摩擦阻力矩等阻力。以下经验公式用于计算车辆在沥青或混凝土路面上的原位阻力（Nmm）。用下列公式来计算汽车在沥青或者混凝土路面上的原地转向阻力矩 式（3.3）式中： 转向轮胎和地面的滑动摩擦系数，取0.7； 转向轴负荷（N），取前轴满载950Kg； 为轮胎气压（MPa），取0.24MPa；所以，=441018.3Nmm方向盘的转动圈数： 式（3.4）其中，为初选传动比。 方向盘上的操纵载荷力： 式（3.5）式中：为转向摇臂长；为转向节臂长，在现有的大多数汽车构造中，转向机传动机构的角传动比为；其值在0.851.10之间，一般取1；由公式得，可计算方向盘上的力矩为： 式（3.6） 力传动比为： 式（3.7）齿宽系数取 式（3.8）齿条宽度 圆整取。则齿轮齿宽为。根据转向器的结构特点和中心距的要求，齿轮轴的位移系数应合理选择。 对于齿轮和齿条转向齿轮架结构的特点，齿轮一般采用斜齿轮，为了避免齿顶过薄，同时也能满足齿轮啮合要求，一般齿轮的齿高系数取小值。据此，初步选定齿轮和齿条齿顶高系数；顶隙系数；齿轮的变位系数。相应基本参数如下表3-2所示。表3-2名称符号公式齿轮齿条齿数zz731分度圆直径d17.89-变位系数_0.65-齿顶高4.1252.5齿根高1.53.125齿顶圆直径26.14-齿根圆直径14.89-齿轮中圆直径21.14-螺旋角_12（右旋）12齿宽b32223.6 转向器材料及其他零件选择3.6.1 齿轮齿条材料选择 小齿轮：齿轮通常选用国内常用、性能优良的20CrMnTi合金钢，热处理采用表面渗碳淬火工艺，齿面硬度为HRC5863。而齿条选用与20CrMnTi具有较好匹配性的40Cr作为啮合副,齿条需要用高频淬火的热处理方法工艺,表面硬度要达到HRC5056。 3.6.2 轴承的选择 轴承1：选择角接触球轴承7004C (GB/T292-1994)； 轴承2：选择角接触球轴承7001C (GB/T292-1994)。 3.6.3 转向器的润滑方式和密封类型的选择 转向器的润滑方式：采用人工定期润滑； 润滑脂：石墨钙基润滑脂（ZBE36002-88）中的ZG-S润滑脂； 密封件：旋转轴唇形密封圈 （FB1630GB 138711992）。3.7 本章小结 本章内容主要转向器的方案选择确定，已经所确定转向器的参数确定。其内容包括最小转弯半径、齿轮齿条参数的选择计算以及转向器材料的选择等，为接下来的强度计算提供条件。4 齿轮齿条强度计算及校核4.1 齿条受力分析及强度计算4.1.1 齿条的受力分析 本设计中，依据式3-6可知，转向器的输入力矩为 T = 54.5Nm，齿轮啮合会有摩擦，所以齿轮齿条常会加以润滑，因此摩擦力相对其他力小得多，可不予考虑。 齿轮齿条的受力状况相当于斜齿轮，齿条的受力情况分析如图4-1。图4-1齿条的受力分析 如图4.1，作用于齿条齿面上的法向力，垂直于齿面，将分解成沿齿条径向的分力（径向力），沿齿轮周向的分力（切向力），沿齿轮轴向的分力（轴向力）。各力的大小为： 式（4.1） 式（4.2） 式（4.3） 式(4.4)式中：为齿轮轴分度圆半径，为法面压力角。 齿轮轴受到的切向力： =6092.8N 式（4.5）式中：T为施加到转向输入轴上的扭矩，T=54530Nmm；d为齿轮轴的分度圆直径。 齿条齿面的法向力： 式（4.6） 齿条齿部受到的切向力： 式（4.7）4.1.2 齿条齿部的强度计算 齿条的单齿弯曲应力： 式（4.8）式中：齿条齿面切向力； b 危险截面处沿齿长方向齿宽; 齿条计算齿高; s危险截面齿厚.根据以上提供的公式可计算出齿条齿根弯曲应力： 式（4.9） 在上述计算中，只是计算一对齿啮合的受力情况。 实际上，齿条和小齿轮的总重叠系数为2.63（理论计算值）和至少两对齿，使得每个齿的弯曲应力应减少一倍,则 ： 式（4.10）齿条的材料为40Cr,抗拉强度（暂不考虑热处理对材料强度的影响） 齿部弯曲安全系数： 式（4.11） 所以，齿条设计满足弯曲疲劳强度设计要求，且满足齿面接触强度，符合本次设计的具体要求。图4-2齿条4.2 小齿轮的强度计算4.2.1 齿面接触疲劳强度计算计算斜齿圆柱齿轮传动的接触应力时,推导计算公式的出发点和直齿圆柱齿轮相似,但要考虑其以下特点:啮合的接触线是倾斜的,有利于提高接触强度;重合度大,传动平稳。为了便于分析计算,通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷进行计算。沿齿面接触线单位长度上的平均载荷P(单位为N/mm)为： 式(4.12)式中作用在齿面接触线上的法向载荷; L 沿齿面的接触线长,单位mm。 法向载荷为公称载荷,在实际传动中,由于齿轮的制造误差,特别是基节误差和齿形误差的影响,会使法面载荷增大。此外,在同时啮合的齿对间,载荷的分配不是均匀的,即使在一对齿上,载荷也不可能沿接触线均匀分布。因此在计算载荷的强度时,应按接触线单位长度上的最大载荷,即计算(单位N/mm)进行计算。即 ： 式(4.13)式中:K载荷系数。 载荷系数K包括:使用系数,动载系数,齿间载荷分配系数及齿向载荷分布数,即： 式(4.14) 使用系数是考虑齿轮啮合时外部装置引起的附加动载荷影响的系数,=1.0;动载系数,齿轮传动制造和装配误差是不可避免的,齿轮受载后还要发生弹性变形,因此引入了动载系数,=1.0;齿间载荷系数齿轮的制造精度7级精度,。 齿向荷分配系数K齿宽系数为： 式（4.15） 式（4.16） 所以载荷系数 =1*1*1.2*1.5=1.8 斜齿轮传动的端面重合度 式（4.17） 在斜齿轮传动中齿轮的单位长度受力和接触长度为： 式( 4.18) 因为 式（4.19） 式（4.20） 所以 式（4.21） =1.8*6092.8/22/1.65/0.67=450.9N/mm 可以认为一对斜齿圆柱齿轮啮合相当于它们的当量直齿轮啮合,利用赫兹公式,代入当量直齿轮的有关参数后,得到斜齿圆柱齿轮的齿面接触疲劳强度校核公式： 式(4.22)式中：弹性系数 式(4.23) 主动小齿轮制造材料为20CrMnTi合金，根据材料选取，均为0.28，都为合金钢，取189.8。 节点区域系数 式（4.24） 可根据螺旋角查得，=2.44。 齿轮齿条的传动比u,u趋于无穷 式（4.25）所以=56.2MPa。 小齿轮接触疲劳强度极限，应力循环次数,所以 取失效概率为1%，安全系数S=1，可计算接触疲劳许用应力 式（4.26）式中：接触疲劳寿命系数由此可得 ，所以，齿轮所选择的参数满足齿轮设计的齿面接触疲劳强度要求。图4-3斜齿轮4.2.2 齿轮齿根弯曲疲劳强度计算 齿轮受载时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。当齿轮在齿顶处啮合时，处于双对齿啮合区，此时弯矩的力臂最大，但力并不是最大，因此弯矩不是最大。根据分析，齿根所受的最大弯矩发生在轮齿啮合点位于单对齿啮合最高点时。因此，齿根弯曲强度也应按载荷作用于单对齿啮合区最高点来计算。 斜齿轮啮合过程中，接触线和危险截面位置在不断的变化，要精确计算其齿根应力是很难的，只能近似的按法面上的当量直齿圆柱齿轮来计算其齿根应力。 将当量齿轮的有关参数代入直齿圆柱齿轮的弯曲强度计算公式，考虑螺旋角使接触线倾斜对弯曲强度有利的影响而引入螺旋角系数，可得到斜齿圆柱齿轮的弯曲疲劳强度计算校核公式： 式(4.27) 齿间载荷分配系数；齿向载荷分配系数；载荷系数；齿形系数；校正系数；螺旋角系数,查得=0.83。校核齿根弯曲强度 式(4.28)求得=415.01MPa 弯曲强度最小安全系数，=1.5；弯曲疲劳许用应力为 式（4.29） 弯曲疲劳寿命系数，=1.5。可得，。所以。 因此，本次设计既满足小齿轮的齿面接触疲劳强度又满足小齿轮的弯曲疲劳强度，符合设计要求。 综上所述，齿轮设计满足设计的强度要求。4.3 齿轮轴的强度校核4.3.1 轴的受力分析 若略去齿面间的摩擦力，则作用于节点P的法向力可分解为径向力和分力F，分力F又可以分解为圆周力和轴向力。 式（4.30） 2267.14N 式（4.31） 1295.06N 式（4.32） 轴的受力简图，如图4-2 图4-2轴的受力简图4.3.2 计算支承反力在水平面上： 式(4.33)在垂直平面上： 式(4.34) 式(4.35)在垂直平面上，a-a剖面左侧： 式（4.36）a-a剖面右侧： 式（4.37）在水平面上，a-a剖面左侧、右侧： 式（4.38）作用于a-a剖面左侧的合成弯矩： 式（4.39）作用于a-a剖面右侧的合成弯矩： 式（4.40）轴的转矩大小： 式（4.41）4.3.3 轴的弯扭合成强度的校核 由上可知，a-a截面左侧合成弯矩最大、扭矩为T，该截面左侧可能是危险截面。经查得，。截面a-a左侧： 式（4.42） 式（4.43）4.3.4 轴疲劳强度安全系数校核经查得：。截面a-a左侧： 式（4.44）查得：;绝对尺寸系数；轴经过磨削加工，其质量系数。因此：弯曲应力： 式（4.45）应力幅：平均应力： 切应力：安全系数： 式（4.46） 式（4.47） 1.65 式（4.48）查得许用安全系数,显然,所以剖面a-a安全。4.4 本章小结本章的主要内容是齿轮齿条的设计计算和强度校核，和轴的强度校核，以保证工作件的强度合格。5 其他部件的设计5.1 防伤安全机构的设计经研究发现：汽车在正面碰撞时，转向盘、转向管柱是让驾驶员受到伤害的主要元件。转向盘、转向管柱等有关零部件在碰撞时产生塑性变形、弹性变形或是利用摩擦等来吸收冲击能量，能防止或者减轻驾驶员受到的伤害。在汽车发生正面冲撞时，转向柱采用万向节连接，合理布置，便可防止转向盘向驾驶室方向移动，使驾驶员的人身安全受到威胁。图5-1防伤转向传动轴简图 应用在轿车上的另一种防伤安全机构，如图5-2。图5-2防伤转向轴简图 转向柱分为两段，上段转向柱的下端与下段转向柱的上端通过两个圆头柱销相连。若其在受到一定数值的轴向力，上、下转向轴能自动脱开，以保证驾驶员的安全。 5.2 转向盘 转向盘主要轮圈1、轮辐和轮毂3组成，其结构如图5-3所示。轮辐的形式有两根辅条式、三根辐条式和四根辐条式。轮辐和轮圈的心部有钢或铝合金等金属制骨架，外层以合成树脂或合成橡胶包覆，下侧形式波浪状以利于驾驶员把持。转向盘与转向轴通常通过带锥度的花键联接，端部通过螺母轴向压紧固定。有的汽车喇叭开关按钮装在转向盘上，方便驾驶员操作。图5-3转向盘结构5.3 球头销球头销常由于球面部分磨损而损坏，因此用下式验算接触应力： 式 (5.1)式中，F为作用在球头上的力；A为在通过球心垂直于F力方向的平面内，球面承载部分的投影面积。许用接触应力。球头直径d可根据图表5-1中推荐